تحلیل کمانش ؛ تئوری، شبیه سازی و اجرا

• آموزش, خدمات, دریایی, ساختمان, نفت و گاز

کمانش، نوعی ناپایداری در سازه‌هاست که وقتی نیروی فشاری به اندازه‌ی کافی بزرگ باشد، سازه از حالت تعادل خود خارج می‌شود و دچار تغییر شکل ناگهانی می‌شود. تحلیل کمانش شامل محاسبه بار بحرانی است که به نیرویی اشاره دارد که در آن سازه دچار ناپایداری می‌شود. این پدیده بیشتر در سازه‌های باریک و بلند مانند ستون‌ها، تیرها و سازه‌های تلسکوپی رخ می‌دهد.

تحلیل کمانش سازه های تلسکوپی

تحلیل کمانش سازه های تلسکوپی بسیار پیچیده است. سازه‌های تلسکوپی به دلیل طراحی خاص خود به گونه‌ای ساخته می‌شوند که بخش‌های متحرک یا لوله‌ها بتوانند درون یکدیگر جا بیافتند و طول نهایی سازه را کاهش یا افزایش دهند. این سازه‌ها تحت بارهای محوری (نیروهای فشاری) قرار می‌گیرند که باعث می‌شود احتمال کمانش در آن‌ها افزایش یابد. چالش در این نوع سازه‌ها این است که کمانش می‌تواند در هر یک از بخش‌های داخلی یا خارجی رخ دهد و نحوه رفتار هر بخش می‌تواند بر سایر بخش‌ها تأثیر بگذارد.

از آنجا که سازه‌های تلسکوپی شامل چندین عضو درون‌هم و اتصالات هستند، بارهای وارد شده می‌توانند منجر به تغییر مکان‌های پیچیده و ناپایداری‌های ناگهانی شوند. استفاده از تقویت‌کننده‌ها، طراحی با مصالح قوی‌تر و بهره‌گیری از تحلیل‌های دقیق می‌تواند از وقوع کمانش جلوگیری یا تأخیر ایجاد کند.

چرا شبیه سازی؟!

در طراحی سازه‌های تلسکوپی، شبیه‌سازی به چند دلیل بسیار مهم است:

1. پیش‌بینی دقیق رفتار سازه: شبیه‌سازی به مهندسان کمک می کند رفتار سازه را تحت بارهای مختلف (به‌ویژه بارهای فشاری) پیش‌بینی کنند. از آنجایی که محاسبات دستی در سازه‌های تلسکوپی پیچیده و وقت‌گیر است، شبیه‌سازی می‌تواند تغییرات ناگهانی و نحوه گسترش کمانش را دقیق‌تر شبیه‌سازی کند و نقاط ضعف را به‌سرعت نشان دهد.
2. صرفه‌جویی در زمان و هزینه: بدون شبیه‌سازی، نیاز به آزمایش‌های عملی بسیار بیشتری خواهد بود که هزینه و زمان زیادی را می‌طلبد. شبیه‌سازی اجازه می‌دهد طراحی بهینه‌سازی شود و تنها نمونه‌های نهایی آزمایش شوند، که هزینه‌های تولید را کاهش می‌دهد.
3. افزایش ایمنی: کمانش می‌تواند به شکست (خدمات ما در حوزه شکست و خرابی) سازه منجر شود که در مواردی مانند جرثقیل‌ها یا سازه‌های تلسکوپی در صنایع نفت و گاز و ساخت‌وساز بسیار خطرناک است. با شبیه‌سازی، مهندسان می‌توانند بارهای بحرانی را شناسایی کرده و ایمنی سازه را بهبود دهند.

مراحل محاسبات و تحلیل کمانش

برای تحلیل کمانش لازم است پارامترهای مختلفی مورد بررسی قرار گیرد. این موضوع به نوع مساله، رفتار متریال، بارهای عملیاتی و حتی روش های ساخت وابسته است. به طور مثال در یک مساله استفاده از مدل تیر اویلر-برنولی یا تیموشنکو نتایج مختلفی خواهند داد و ممکن است طراحی را با اشکال روبرو کند.

برای محاسبه بار بحرانی معادلات حاکم کمانش می تواند در ابتدای طراحی مناسب باشد. معروف ترین این معادلات بار کمانش اویلر است. اما در سازه های پیچیده تر مثل سازه های تلسکوپی این معادله خیلی کاربردی نیست و باید از روش های عددی استفاده کرد. نرم افزارهای اباکوس و انسیس برای مدل سازی دقیق و پیش بینی رفتار سازه تحت بارهای کمانش محلی و سراسری بسیار مناسب می باشند.

حوادثی ناشی از کمانش در صنعت

کمانش در صنعت می‌تواند به حوادث جدی منجر شود. چند نمونه شناخته‌شده عبارتند از:

1. فروپاشی جرثقیل‌ها: در صنایع ساختمانی، جرثقیل‌های تلسکوپی کاربرد زیادی دارند. در صورتی که طراحی این جرثقیل‌ها به‌درستی انجام نشود، کمانش می‌تواند در قسمت‌های تلسکوپی رخ دهد و باعث سقوط آن‌ها شود. چندین حادثه در سایت‌های ساختمانی به دلیل ناپایداری کمانش جرثقیل‌ها گزارش شده است.
2. شکست برج‌ها و دکل‌های حفاری: دکل‌های حفاری در صنایع نفت و گاز اغلب تحت فشارهای بزرگ و بارهای پیچشی قرار دارند. در برخی موارد، کمانش در این دکل‌ها منجر به شکست کامل سازه و حتی از دست رفتن جان کارکنان شده است.
3. فروپاشی ستون‌ها در پل‌ها و سازه‌های بزرگ: نمونه‌هایی از فروپاشی پل‌ها و ستون‌های پشتیبان در سازه‌های بلند وجود دارد که کمانش در آن‌ها به دلیل ضعف در طراحی رخ داده است، مانند حادثه سقوط پل I-35W در مینه‌سوتا.

استانداردهایی که تحلیل FEA کمانش را الزامی کرده اند

استانداردهای مختلفی در سطح بین‌المللی برای اطمینان از ایمنی سازه‌ها و اجباری‌کردن تحلیل کمانش و شبیه‌سازی FEA وجود دارند. این استانداردها برای طراحی، تحلیل، و ساخت سازه‌ها در صنایع گوناگون، از ساختمان‌سازی و پل‌سازی گرفته تا صنایع هوافضا و نفت و گاز، استفاده می‌شوند. در ادامه به برخی از مهم‌ترین استانداردهایی که به تحلیل کمانش و استفاده از روش‌های اجزای محدود (FEA) در طراحی سازه‌ها می‌پردازند اشاره می‌کنیم:

1. استانداردهای ASME (American Society of Mechanical Engineers)

• ASME BPVC (Boiler and Pressure Vessel Code)، بخش VIII: این استاندارد برای طراحی مخازن تحت فشار استفاده می‌شود و تحلیل کمانش را برای اطمینان از پایداری مخازن اجباری می‌کند. همچنین از تحلیل‌های اجزای محدود برای بررسی دقیق استحکام و پایداری مخازن بهره می‌برد.
• ASME B31 (کدهای لوله‌کشی): در این استاندارد، تحلیل کمانش و استفاده از FEA برای لوله‌کشی‌های صنعتی و سیستم‌های انتقال سیالات الزامی است. این کدها شامل استانداردهایی برای بارهای حرارتی، فشاری و دینامیکی هستند.

2. استانداردهای API (American Petroleum Institute)

• API 579-1 / ASME FFS-1: این استاندارد که برای بررسی سلامت تجهیزات در صنایع نفت و گاز به کار می‌رود، تحلیل‌های کمانش و اجزای محدود را برای تجهیزات و مخازن تحت فشار پیشنهاد می‌دهد. سطح 3 این استاندارد که به FFS-level 3 مشهور است کاملا بر پایه محاسبات عددی و المان محدود است.
• API RP 2A-WSD: برای طراحی و تحلیل سکوهای دریایی و سازه‌های فراساحلی، این استاندارد به تحلیل کمانش و شبیه‌سازی FEA نیاز دارد تا پایداری سازه‌ها تحت بارهای محیطی شدید تضمین شود.

3. استانداردهای ISO (International Organization for Standardization)

• ISO 19902: برای طراحی و ساخت سازه‌های فراساحلی ثابت، این استاندارد تحلیل کمانش را الزامی می‌داند و از روش‌های FEA برای تحلیل‌های دقیق پایداری سازه‌های دریایی استفاده می‌کند.
• ISO 10721: این استاندارد برای سازه‌های فولادی در ساختمان‌سازی بوده و به تحلیل پایداری و کمانش اعضای سازه تحت بارهای فشاری اشاره دارد.

4. استانداردهای Eurocode

• Eurocode 3 (EN 1993): این استاندارد برای طراحی سازه‌های فولادی است و تحلیل کمانش را برای اعضای فشاری اجباری می‌کند. Eurocode 3 توصیه می‌کند که در موارد پیچیده، از تحلیل‌های اجزای محدود برای بهینه‌سازی طراحی و اطمینان از پایداری استفاده شود.
• Eurocode 9 (EN 1999): این استاندارد برای سازه‌های آلومینیومی طراحی شده و تحلیل کمانش و FEA را برای سازه‌های باریک و بلند الزامی می‌کند.

5. استانداردهای NORSOK

• NORSOK N-004: در صنایع نفت و گاز دریای شمال، این استاندارد برای طراحی و تحلیل سازه‌های فراساحلی اعمال می‌شود و تحلیل کمانش و استفاده از FEA را برای پایداری سازه‌ها الزامی می‌داند.

6. استانداردهای AISC (American Institute of Steel Construction)

• AISC 360: این استاندارد برای طراحی سازه‌های فولادی در آمریکای شمالی بوده و تحلیل کمانش را برای اعضای تحت بار فشاری به‌خصوص در سازه‌های بلند پیشنهاد می‌دهد. برای موارد پیچیده، استفاده از FEA برای بررسی دقیق پایداری اعضای سازه مورد توصیه است.

این استانداردها که تنها بخشی از استانداردهای رایج در صنایع است، شبیه‌سازی‌های دقیق و تحلیل‌های اجزای محدود را به‌عنوان ابزارهایی ضروری معرفی می‌کنند که باعث افزایش ایمنی، کاهش ریسک‌های ناشی از کمانش، و بهینه‌سازی طراحی می‌شوند.

بنوموسی؛ تنها شرکت مشاوره شبیه سازی تخصصی در ایران

برای مشاوره محاسبات و تحلیل FEA کمانش تماس بگیرید.

شرکت بنوموسی با ارائه جلسات منتورینگ آباکوس راهنمای شما عزیزان در جهت رفع و بهبود ایرادات فنی و مهندسی پروژه های صنعتی و دانشجوی تان در زمینه مدل‌سازی، تحلیل، و صحت‌سنجی نتایج می باشد. این جلسات به صورت آنلاین و حضوری برگزار می‌شود و نیم ساعت اول رایگان است. برای اطلاعات بیشتر و رزرو وقت، از صفحه منتورینگ اباکوس ما دیدن کنید.

برای استفاده از خدمات شبیه‌سازی و مشاوره رایگان ما، کافی است با ما تماس بگیرید. ما در تمام مراحل پروژه کنار شما هستیم تا بهترین نتایج را به‌دست آورید.

برای کسب اطلاعات بیشتر و دریافت منتورینگ ، لطفاً با ما تماس بگیرید یا از وب‌سایت Banumusagr بازدید کنید. تیم ما آماده است تا شما را در دستیابی به نتایج مطلوب در تحلیل‌های عددی و شبیه‌سازی‌های مهندسی یاری کند.

راه های ارتباطی با شرکت بنوموسی :

TELEGRAM : https://t.me/BanuMusaGr

ایمیل: info@BanuMusaGr.com

تلفن همراه:  388 20 55 0915

تلفن:  35424520– 51 (98+)